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    气体燃料发动机盛行之下预燃室火花塞的使用将是趋势所需

    发布时间:2021-02-04 浏览:2423次 字号:  
    随着能源环境方面的压力不断增加及排放法规的不断严格,替代能源日益受到重视。天然气在常温下呈气态,作为燃料十分有利于抑制燃烧中碳烟的产生,在应对汽车第六阶段排放法规方面,尤其是在大排量发动机上,具有控制PN和PM的潜在优势。我国天然气资源较为丰富,因此天然气在我国被普遍认为是一种较有潜力的内燃机代用燃料,有望改变我国“以煤为主”和“原油大量进口”的能源格局。目前中国天然气汽车保有量约500万辆,已成为全世界天然气汽车保有量的第一大国。进一步发展天然气发动机相关技术,具有重要的现实意义。
     预燃室火花塞
    小缸径发动机(如车用小型汽油机)改装为天然气发动机在我国早已经进入了实际产品化、市场化的阶段。而大缸径的天然气发动机目前仍面临一些技术难点。为了提高热效率,天然气发动机宜采用较高压缩比和稀燃策略;但相比传统的汽油燃料,天然气在稀燃模式下点火稳定性较差、火焰传播速度较慢。尤其是火焰传播速度的问题,在一些大缸径柴油机改装的天然气发动机上,在常规压缩比和理论空燃比下就可能会导致末端混合气自燃进而使热负荷急剧上升从而发生“烧顶”现象。
     
    为解决点火稳定性与“烧顶”的问题,过去的研究者提出了加氢和设置预燃室等方法。其中预燃室作为一种适用性相对较好的技术路线,在发动机上的研究和应用受到了广泛的重视。其原理是在发动机上设置与主燃烧室以一个或若干孔洞相连的小空腔(即预燃室),预燃室内可以通过布置燃料供给装置实现主动配气,或者只依靠发动机本身的循环过程换气。着火方式可使用压燃或将火花塞电极设置在预燃室内,预燃室内的可燃混合气着火之后,火焰会以射流喷束的形式从预燃室中喷出,有效加速火焰传播,从而抑制“烧顶”、增强整体的燃烧稳定性。
     
    近年来,国内外学者对气体燃料发动机预燃室及其火焰传播的特性开展了一系列研究。瑞士洛桑联邦理工学院Roethlisberger等人使用台架试验和模拟计算的方式比较了天然气直接点燃和预燃室内布置火花塞引燃两种不同的燃烧模式,并讨论了预燃室几何形状对引燃性能的影响,发现采用预燃室能大幅增加火核的前锋面,明显减少了CO的排放和总HC排放。澳大利亚巴拉瑞特大学Boretti等研究了预燃室在氢气压燃发动机上的应用,结论表明在全转速范围内,改进的氢气发动机比柴油发动机有更高的热效率和更好的动力性。波兰琴斯托霍瓦理工大学Szwaja等人,在四冲程压燃发动机上增加了预燃室,并结合模拟计算,对发动机的排放性能进行研究,结果表明预燃室缩短了主燃室混合气的滞燃期,从而提高了燃烧的等容度,减少了热损失、提高了热效率,并可以实现在稀燃下有效抑制NOx排放。合肥工业大学的左承基等在单缸柴油机上增加了涡流预燃室,研究不同甲烷含量的煤层气在不同负荷下的排放性能,发现该配置在改善常规排放方面有很大优势。巴西米纳斯联邦大学的Filho等人使用带有火花塞和燃料装置的预燃室在台架试验中研究了分层射流引燃的排放和燃烧特性,研究表明,改装后的发动机能降低稀燃的循环变动、大幅降低CO和NOx的排放。
     
    同时,针对预燃室引燃的构型,国内外学者还进行了预燃室几何参数优化的基础研究。美国普渡大学的Sayan等利用纹影和化学发光法在定容弹上研究预燃室引燃机理,发现存在两种引燃机制,即火焰引燃(flame ignition-反应物和燃烧产物)和射流引燃(jet ignition-仅燃烧产物);喷孔直径增加和初始压力增加都容易导致火焰引燃;火焰引燃含有自由基和中间产物,所以能更快引燃主燃烧室气体。预燃室喷孔的参数(直径,数量,位置和孔的形状)及预燃室的容积和形状对主燃烧室的燃烧起着重要作用。喷孔总横截面积保持一致的情况下,喷孔数量较少更利于加速火焰传播速度。江苏大学的陈良等用模拟的方法研究了预燃室与主燃室之间的通道参数对天燃气发动机燃烧特性的影响,提出了用无量纲数评估火焰射流带来效应的方法,并分析了无量纲数与排放之间的关系。北京工业大学刘昊等在定容燃烧弹内添加带孔横隔板实现甲烷一空气混合气的射流引燃。利用纹影法研究了在不同的初始条件下,隔板位置、孔径、孔数等不同参数对射流引燃特性的影响。
     
    综上所述,采用预燃室火花塞的配置点燃天然气燃料的诸多研究主要集中于发动机台架试验和模拟计算,可视化的研究相对较少。已有的可视化研究以预燃室几何参数研究为主,研究内容较为有限。目前,将预燃室与火花塞集成为一个部件的设计方式(下文称为“预燃室火花塞”)开始进入应用领域,其特征是轴对称结构、多孔、被动换气。国内在该类火花塞的火焰射流和火焰传播特性方面的研究尚未见报导。
     
    由于可视化技术在燃烧和流动的研究中可以实现非接触式的测量,被广泛地应用于火焰传播的研究。高速纹影法作为一种常用的燃烧可视化分析手段,被广泛的应用于流动与火焰传播的研究。本文基于一种真实预燃室火花塞系统,在定容弹上使用纹影法,研究了不同初始温度压力下火焰传播的特性,并重点分析了使用该类火花塞时利用火焰射流加速火焰传播的特征。